浅谈煤矿主扇在线监控系统设计及应用

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摘 要 本文介绍了以计算机与PLC为核心，对煤矿主扇运行进行在线监控的原理、构成、性能、特点。该系统通过计算机控制，在调度室实时准确检测、控制主扇风机的运行情况，在运行风机发生故障的情况下自动切换到备用风机运行，并实现风电闭锁，提高了煤矿井下生产的安全性和矿井自动化管理水平。

关键词 主扇；在线监控；风电闭锁；自动切换；PLC

1 前言

矿井主扇向井下输送新鲜的空气，稀释和排除有害有毒气体，调节井下所需风量、温度和湿度。改善井下劳动条件，保证安全生产。它在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。

虽然主扇对煤矿的安全生产非常重要，但目前对主扇的运行进行监视，监控的自动化水平却显得比较落后，大部分煤矿都没有对主扇的各种状态进行在线监测、控制、分析。基本上都采用值班人来定时对主扇的各种状态进行记录（每一到两个小时记录一次），无法对主扇的运行做历史数据分析，无法及时发现主扇存在的隐患。

主扇在线监控技术是集计算机、网络通信、PLC、传感器、控制理论以及设备制造等多学科的理论与技术，跨学科、跨专业、跨部门。该技术的使用进一步提高了主扇自动化管理水平，提高设备运行的安全程度，降低工人劳动强度。

2 主扇在线控制系统采用的设计原则

主站和各种终端设备在设计时采用计算机和微电子技术的最新成果，系统功能考虑了通风机行业的最新需求，监控的信息量达三十多项，系统的数据通信不仅采用传统的数据总线方式，还有光纤通信技术，通信采用串行通信和网络通信，规约采用工控领域通用的MODBUS规约。本项目选择研华工控机作为监控主机，施耐德Premium系列PLC作为核心控制器，Kingview6.55作为监控软件平台。

2.1 监测设备的防爆及本安设计

对于伸入井下的甲烷、负压、风速、温度传感器全部采用本安设计，接入这些传感器的监控分站采用本安兼隔爆设计，以确保矿井的安全。

2.2 主站设计原则

（1）层次性。整个系统采用分层分布式设计思想，共分为三层：主站层、分站层和采样层，主站层与分站层间采用光纤通信方式、TCP/IP网络通信，分站层和采样层间采用现场总线方式，分层分布式结构的最大优点就是：任意设备的故障不会造成整个系统的瘫痪，提高了系统的稳定性。

（2）智能性。系统具有智能平衡系统负载、智能补测过滤数据等功能。

（3）灵活性。系统提供方便强大的图形、报表工具包，用户可以按需要自己定制图形及报表。

（4）安全性。对系统用户根据其不同要求划分权限等级，并对重要操作有日志记录。

（5）可靠性。系统的分层分布式结构，主站系统与操作台的互为备用，这些使系统更加稳定可靠。

（6）开放性。系统提供和其他系统的接口，可以为这些系统提供需要的数据，实现全矿的数据共享。

3 主扇在线控制系统配置图

4 主扇在线控制系统原理简述

风机在线控制系统的真正意义，并不是单单的监控风机是否在正常运行，更应该监控风机运行的实际效果。风机运行实际要达到的效果是改善井下的空气结构。为此，完全意义上的风机在线控制系统是必须要实现对井下空气环境的监测。

基于上述考虑，在监控电机、风机本身性能的同时，在通風井内还监视瓦斯含量、风速、负压、温度等信息的变化。

通过各种传感器测量通风井中的负压、风速、风机的入口温度、瓦斯浓度，并传送至通用分站，通用分站及供电电源都具有防爆特性。信号经通用分站处理后传送至主站系统，与工控机的通信采用网络通信协议TCP/IP方式。

电机电流通过数字电流表的模拟变送输出口（4～20mA）直接接入PLC模拟量端口；在风机的前后轴承盖安装有热电阻，与安装在电动机座上的（防爆）接线盒相连，通过变送器或者温度测量装置将温度信号转换为标准的4-20mA或者0-5V信号接入PLC模拟量端口；电机开停信号通过中间继电器接入PLC，操作台按钮的信号直接接入PLC开关量端口；PLC和工控机之间的通信也是采用光钎通信方式，通信协议采用国际工控领域通用的MODBUS规约。

为保证整个系统能够可靠的运行，配置手动操作柜一套，实现对现场部分信息的显示及对风机和风门的启停控制，以便在计算机不能使用或通信中断的情况下手动启停风机、风门、备用电源的切换等。操作柜上有手动/自动旋钮，计算机操作时将旋钮打在自动位置上。

计算机监控系统是基于kingview6.55开发而成的，具有功能强大、界面友好、易学易用、便于二次扩展等特点。

5 实现目标

（1）可远程控制风机启停，风门的开闭，并实现互锁，可远程监视风机的运行状态及风巷中的风量、瓦斯等参数。

（2）根据通风井内监测到的环境参数如负压、风速、风机的入口温度、瓦斯浓度，判断是否需对通风机进行调节、倒换风门等一系列操作；

（3）根据风机的轴承温度，判断其工作是否正常；

（4）根据电动机的电参数，判断其工作是否正常；

（5）在计算机上对主副风机之间进行自动

（6）上位机根据采样的各种信息，进行越限报警、事故报警等，根据历史数据，以曲线、报表、图形等形式，对通风机的各种信息实现综合分析、处理和显示。

6 功能

6.1 数据采集功能

模拟量：轴承温度、电机电流、风速、风机的入口温度、瓦斯浓度、负压等。

状态量：风机启停状态、风门开闭状态。

6.2 数据处理功能

模拟量数据处理：数据滤波、零漂处理、跳变滤波、归零处理、多重越限值检验及告警；完成连续模拟量输出记录，存储在数据库中。

开关量数据处理：风机启停状态变位时，发出告警；风门开闭时发出告警。

6.3 告警功能

报警范围：现场运行状态、设备运行状态、开关量变位、模拟量越限、遥控操作、用户定义违约、自动化系统主站设备运行状态、终端运行状态、统计和计算事件等。

告警存入历史数据库，可以通过时间段、报警类型等查询条件进行组合查询。

6.4 控制功能

通过计算机或者操作柜都可以控制现场设备的分合。

6.5 報表、趋势曲线和棒图

显示负压-功率曲线、负压­-风量曲线及其他电流曲线，电压棒图等，曲线可实时显示也可历史查询显示。

可按日、月、年生成各种类型报表；可根据需要生成典型或特殊报表；

报表的输出具有打印和文件输出两种方式，文件输出采用通用的EXCEL格式。

各种模拟量信息可以用曲线图形滚动显示。

6.6 安全管理功能

系统能根据需要对操作员确定操作权限，进行等级划分；

操作员的任何操作均要经过双重权限认证；

系统对每一个重要操作均自动形成操作记录，可随时浏览、打印。

6.7 图形编辑、图形显示功能

采用中文全图形人机会话界面，界面友好直观，操作简单方便；实现丰富的图文、语音；

可显示多种类型的画面：配置图、曲线图、棒形图、饼形图、混合图、工况图、表格、目录表等；

事件发生时，可自动推出报警画面，并伴有声音或语音报警；

可打印显示的任何图形、表格和记录文档，图形打印比例可以调节，表格内容可在线编辑。

7 结束语

通过主扇在线控制系统，我们实现了对风扇、风门的运行控制及各种相关参数的在线监测，实现了对主备电源的自动投切，减少了风机因故障停转的时间，提高了主扇运行的稳定性，降低了主扇发生故障的概率。提高了对主扇的管理的水平，使主扇这个重要的设备纳入到煤矿的整个调度系统中来。这将对煤矿的安全生产以及经济效益都将产生良好的影响。

作者简介

蒋寅俊，男，1986年，汉，江苏南京，学士学位，助理工程师，主要从事自动化控制工程应用。

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